基本相互作用

基本相互作用
基本相互作用（fundamental interaction），决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用。

近代物理确认各种物质之间的基本的相互作用可归结为 4种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。

近代物理的观点倾向于认为 4种基本相互作用是统一的，物理学家正在为建立大统一理论超统一理论而努力。

一.简介
目前物理学界公认，世界存在四种基本的相互作用：万有引力（简称引力）、电磁力、强相互作用、弱相
互作用。

在宏观世界里，能显示其作用的只有两种：引力和电磁力。

引力是所有物体之间都存在的一种相互作用。

由于引力常量G很小，因此对于通常大小的物体，他们之间
的引力非常微弱，在一般的物体之间存在的万有引力常被忽略不计。

但是，对于一个具有极大质量的天体，引
力成为决定天体之间以及天体与物体之间的主要作用。

电磁相互作用包括静止电荷之间以及运动电荷之间的相互作用。

两个点电荷之间的相互作用规律是19世纪法国物理学家库仑发现的。

运动着的带电离子之间，除存在库仑静电作用力之外，还存在磁力（洛伦兹力）的
相互作用。

引力、电磁力能在宏观世界里显示其作用。

这两种力是长程力，从理论上说，他们的作用范围是无
限的，但是电磁力与引力相比要弱得多。

宏观物体之间的相互作用，除引力外，所有接触力都是大量原子、分
子之间电磁相互作用的宏观表现。

弱相互作用和强相互作用是短程力，短程力的相互作用范围在原子核尺度内。

强作用力只在10-15m范围内有显著作用，弱作用力的作用范围不超过10-16m。

这两种力只要在原子核内部核基本离子的相互作用中，才显示出来，在宏观世界里不能察觉他们的存在。

四种相互作用按强弱来排列，顺序是：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。

一对质
子在相距10-16m时，各种相互作用的强度为（假定此时强相互作用强度的数量级为1）：
二.引力相互作用
所有具有质量的物体之间的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷。

其规律是牛顿万有引
力定律，更为精确的理论是广义相对论。

在4种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物理研究中起决定性作用。

按照近代物理的观点，
引力作用是通过场或通过交换场的量子实现的，引力场的量子称为引力子。

重力相互作用，简称-(重力或引力)-，是四个基本相互作用中最弱的，但是同时又是作用范围最大的（不会如电磁力一般相互抵销）。

但当距离增大，重力相互作用的影响力就会递减，假设两物件的相互距离为'，其作用力则可以1/'2的计算式推论出来。

不像
其他的相互作用，重力可以广泛地作用于所有的物质。

由于其广泛的作用范围，当物质质量为极大，物质有关
的属性以及与物质的带电量有时可以相对地忽略。

而由于其广泛的作用范围，引力可以解释一些大范围的天文现象，比如：银河系、黑洞和宇宙膨胀；以及
基本天文现象例如：行星的公转；还有一些生活常识例如物体下落、很重的物体好像被固定在地上、人不能跳
得太高等。

万有引力是第一种被数学理论描述的相互作用。

在古代，亚里士多德建立了具有不同质量的物体是以不同
的速度下落的理论。

到了科学革命时期，伽利略·伽利莱用试验推翻了这个理论－如果忽略空气阻力，那么所
有的物体都会以相同的速度落向地面。

艾萨克·牛顿被苹果砸到时发现地心引力，进而引伸出万有引力定律(1687年)，是一个用来描述通常重力行为非常好的近例。

在1915年,阿尔伯特·爱因斯坦完成了广义相对论，将重力用一种更精确的方式描述－时空几何，并指出引力是空间与时间弯曲的一种影响。

如今，一个活跃的领域正致力于用一个使用范围更广的理论来统一广义相对论和量子力学－大统一理论。

在量子力学中，一个在量子引力理论中设想的粒子－引力子被广泛地认为是一个传递引力的粒子。

引力子仍是
假想粒子，目前还没有被观测到。

尽管广义相对论在非量子力学限制的情况下较精确地描述了引力，但是仍有不少描述万有引力的替代理论。

这些在物理学界严格审视下的理论都是为了减少一些广义相对论的局限性，而目前观测工作的焦点就是确定什
么理论修正广义相对论的局限性是可能的。

三.电磁相互作用
带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷。

宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。

其强度仅次于强相互作用，居四种基本相互作用的第二位。

电磁作用研究得最清楚，其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。

量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，它能够很好地说明正反粒子的产生和湮没，电子、μ子的反常磁矩(见粒子磁矩)与兰姆移位等真空极化引起的细微电磁效应，理论计算与实验符合得非常好。

电磁相互作用引起的粒子衰变称为电磁衰变。

最早观察到的原子核的γ跃迁就是电磁衰变，其他还有如π0→γ＋γ等。

电磁衰变粒子的平均寿命为 10-16～10-20秒（s）。

四.弱相互作用
最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。

弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。

其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律），例如宇称守恒在弱作用下不成立。

弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子薄0而传递。

弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10-13s。

最早观察到的原子核的β衰变是弱相互作用现象，凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。

弱相互作用仅在微观尺度上起作用，起力程最短（大约在10-18m范围内，比强交互作用的范围小），强度在四种相互作用中排第三位。

由于弱相互作用比强相互作用和电磁相互作用的强度都弱，故有此名。

有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等；另一种是Κ介子和∧超子的衰变。

弱相互作用的一个特点是对称性低。

在弱相互作用中﹐空间反射﹑电荷共轭和时间反演的对称性都被破坏﹔同位旋﹑奇异数﹑粲数﹑底数等在强作用下守恒的量子数都不守恒。

弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同﹐却又有相似之处。

弱相互作用流与电流一样是守恒的﹐它们之间还有以对称性相联系的关系。

在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论。

标准的弱电统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。

理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。

五.强相互作用
最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。

强作用最强，也是一种短程力。

其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，具有色荷的夸克所具有的相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下，强相互作用的媒介粒子是介子。

强作用具有最强的对称性，遵从的守恒定律最多。

强作用引起的粒子衰变称为强衰变，强衰变粒子的平均寿命最短，为10-20～10-24s，强衰变粒子称为不稳定粒子或共振态。

强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离第二短的（大约在10-15m范围内，比弱交互作用的范围大）。

核子间的核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。

现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。

强相互作用比其他三种基本作用有更大的对称性﹐也就是说﹐在强相互作用中有更多的守恒定律。

强相互作用不像引力和电磁相互作用那样是长程力而是短程力。

但是它的力程比弱相互作用的力程长﹐约为10-15m。

大约等於原子核中核子间的距离。

对强相互作用本质的了解长期以来是物理学中的难题。

人们曾经提出过许多强相互作用的理论﹐它们取得的成就都很有限。

原因之一是理论中没有小参量﹐因而找不到可靠的近似方法。

人们由强子的夸克模型和规范场的概念出发提出量子色动力学。

在这个理论中﹐强相互作用是组成强子的夸克之间通过一些称为胶子的规范粒子场传递的作用。

这个理论有在小距离处作用变弱的性质。

它被认为是有希望的强相互作用基本理论。

基本相互作用引力相互作用
电磁相互作用弱相互作用。